כשאפלייד מטיריאלס פוגשת את NASA: על הארכת זמן החיים המוגבל של חיישני תמונה באור אולטרה-סגול עמוק

10מאי2015
  • שיקולי תכנון וביצועים מדודים של חיישן CMOS עתידי לבדיקות מסכות פוטוליגרפיה ופרוסות סיליקון

    מאת:שרגא צור וטל קוזניץ

    עבודה זו הוצגה בכנס אואזיס 5 ב4 במרץ 2015

    רקע הבעיה:

    המשך המזעור של המעגלים החשמליים על שבבי סיליקון (חוק מור) מחייב שימוש באור אולטרה סגול עמוק (DUV (Deep Ultra-Violet, במכונות לבדיקת פגמים במסכות ליטוגרפיה ובפרוסות סיליקון. במהותן, מכונות אלו, הינן מעין מיקרוסקופים סורקים במהירות גבוהה ובעלי הגדלה עצומה, שבקצה כל אחד מהם ישנה "עין אלקטרונית" בצורת מצלמה אולטרה–סגולה המצלמת במהירות פי 100 ממצלמת וידאו HD, באופן רצוף, 24/7. מקור התאורה הינו לייזר רב עצמה המאיר את המטרה בפולס קצר מאד (ננו–שניות) בכל תמונה, מאות או אלפי פעמים בשנייה. הפוטונים האנרגטיים, האולטרה–סגולים, גורמים לחיישני ההדמאה נזקי קרינה, המגבילים את זמן החיים של המצלמות המיוחדות והיקרות האלו, שהינן חלק מהותי מן המכונה. נזקי קרינה אלו מצטברים וגורמים לקלקול הולך וגדל באיכות הצילום עד אשר נוצרות הפרעות בלתי נסבלות באיכות גילוי הפגמים ע"י המכונה. בשלב כזה, פעולת המכונה נעצרת לצורך החלפת הסנסור במצלמה, כיולה מחדש וכו' ומתבזבז זמן יקר וגם העלות ללקוח יקרה.

     

    מטרת העבודה:

    עבודה זו נועדה לפתח אבי–טיפוס של מצלמות, בעלות עמידות גבוהה מאד לאור אולטרה–סגול ובדיקת עמידותן תחת תאורה של ביליונים של פולסי לייזר מכונה. היא בוצעה בשיתוף פעולה עם (JPL (Jet Propulsion Laboratory שהינה חלק מ– NASA, סוכנות החלל האמריקאית.

    הפתרון:

     JPLפיתחה טכנולוגיה בשם ,(DD = Delta Doping) להגברת העמידות של מצלמות וגלאים תחת קרינת .DUV טכנולוגיה זו פותחה במסגרת נסיונה בפיתוח מצלמה אולטרה סגולה עבור טלסקופ החלל "האבל". יעילות טכנולוגיה זו הוכחה בחלל ובאפליקציות אחרות אולם, שיתוף הפעולה עם "אפלייד מטריאלס" איפשר להם להוכיח את יעילותה גם עבור צילום עם תאורה של לייזרים בעלי פולסי אור קצרים ביותר, של ננו–שניות באולטרה סגול העמוק. שיתוף פעולה זה, איפשר גם לראשונה, הוכחת היתכנות תוך שימוש בלייזרי מכונה של "אפלייד מטריאלס" וניצול המעבדות שלנו והיכולות בתחום ניתוח ביצועי מצלמות באופן כמותי.

    קרינת DUV הפוגעת בפיקסלים של מצלמה רגילה, נבלעת בסיליקון ממנו הם מורכבים, בעומק קצר ביותר, של 5 ננומטר (פי 100-1000 קצר מאשר אור נראה). היא אינה חודרת את המבנה המסובך של הטרנזיסטורים והאלקטרודות שממנו מורכב פיקסל של מצלמה מודרנית (ציור 1) לכן, מצלמה "רגילה" אינה רגישה לאור אולטרה–סגול.

    ציור 1: חיישן DUV מחייב "דיקוק" והארה מאחור

    על מנת להתגבר על מיגבלה זו, במצלמה לאור אולטרה סגול, מאירים את החיישן מאחור! בנוסף על כך, נפטרים מ-99% מעובי הסיליקון של הסנסור, בתהליך מורכב של "דיקוק מאחור" ,(BST=Back Side Thinning) שפותח במעבדות ,JPL כאשר החיישנים עדיין על פרוסת סיליקון שלימה. פרוסת הסיליקון ה"מדוקקת" הינה בעלת עובי של 5 מיקרומטר בלבד ואינה מסוגלת לשאת את עצמה מבחינה מכנית. לכן, מצמידים אותה, בתהליך תרמי מיוחד ל"פרוסה נושאת" .(Handle wafer) בשלבים האחרונים, חותכים את פרוסת הסיליקון לסנסורים האינדיוידואליים וממשיכים בעוד תהליכים מורכבים, שלא כאן המקום לפרטם, בדרך ליצירת סנסור מושלם המשובץ במצלמה.

    אולם כאן רק מתחילה, בעיית זמן החיים הקצר של המצלמה! מסתבר שהפוטונים האנרגטיים של האור האולטרה–סגול, הפוגעים בגביש הסיליקון, מייצרים בו פגמים, המצטרפים לפגמים הנמצאים ממילא על פני שטח הגביש, כתוצאה מתהליך ה"דיקוק" שהוא עבר. פגמים אלו נוטים לאבד אלקטרונים ולכן הם בעלי מטען חיובי, מרוכזים על פני השטח, יוצרים מטען חיובי על פני שטח הפיקסל ומשמשים כ"מלכודות" לפוטו–אלוקטרונים שנוצרים (גם הם קרוב מאד לפני השטח) כתוצאה מהתפלגות האור בתמונה. פוטו–אלקטרונים אלו אינם ממשיכים הלאה ונגרעים מן הסיגנל הכללי דהיינו, רגישות המצלמה יורדת עם הזמן. מאידך, תהליכים אחרים דווקא מגדילים את רגישות המצלמה. חוסר יציבות זה בא לידי ביטוי הן במקום והן בזמן. תופעה זו "קטלנית" לאלגוריתמים של מציאת הפגמים היות ואלו מסתמכים ישירות על יציבות התמונה המצולמת והאפשרות לבצע השוואות של אזורים שונים במטרה הנבדקת ובזמנים שונים .(Die to Die, Cell to Cell) 

    על מנת לפתור בעיות אלו, מעבדות JPL פיתחו את טכנולוגית ה ,Delta Doping-המאפשרת ננו–הנדסה של פני שטח החיישן ו"פסיבציה" שלו )לגרום לו להיות "אדיש" ויציב תחת קרינת הDUV-): שכבה מונו–אטומית של היסוד בורון, מושתלת על פני שטח החיישן באמצעות טכניקה של   MBE (Molecular Beam Epitaxy), אטומי הבורון סופחים אלקטרונים ויוצרים "קיר" דק מאד ומרוכז מאד של מטען שלילי על פני שטח הפיקסל. אלקטרון שנוצר מפוטון אולטרה–סגול שנבלע בתוך הפיקסל קרוב לפני הסיליקון, נדחף בכוח דחיה חשמלי אדיר ולמעשה "נורה" פנימה, לתוך הסיליקון, במהירות של כ–500 ק"מ לשניה, וכעבור כמה מיקרונים וזמן קצר ביותר (פיקו–שניות), הוא נבלע במנגנון הקריאה של הפיקסל והופך לחלק מן הסיגנל הדיגיטלי של המצלמה.

    הניסויים להוכחת ההיתכנות:

    על מנת להוכיח את ההיתכנות של כל ההנחות האלו, אפלייד מטריאלס ניהלה פרוייקט בדיקת היתכנות (C&F = Concept & Feasibility study) , שכלל את השלבים העיקריים הבאים:

    *נבחר סנסור בעל 3.2 מגה–פיקסל, שפותח ע"י חב' PANAVISION לצרכי צילום מהיר.

    *חב'  ,ALACRONבעלת הזכיון לניצול הטכנולוגיה של ,JPL הזמינה תריסר פרוסות סיליקון (wafers) עם הסנסורים עליהם מ-– TOWER SEMICONDUCTORS  ממגדל העמק.

    *חברת ZIPTRONIC מארה"ב ביצעה דיקוק ראשוני והצמדה של ה-Handle Wafer לצורך החיזוק המכני.

    JPL* השלימה את הדיקוק, הפסיבציה המיוחדת, חשיפת המגעים, חיתוך פרוסת הסיליקון לסנסורים האינדיוידואליים ואריזתם לצורך ההתקנה במצלמה.

    *חברת ALACRON פיתחה את אבי הטיפוס של המצלמות.

    *אפלייד מטריאלס ביצעה את הניסויים וניתוח התוצאות.

    מערך הניסויים:

    הניסויים בוצעו בשלבים הבאים (ציור 2):

    *לייזר המכונה מאיר את החיישן בתאורה אחידה ותמונת ייחוס נשמרת (ממוצע על 100 תמונות ע"מ לשפר את דיוק הניסוי).

    *מסכה בעלת אזור העברה מלבני מותקנת לפני החיישן כך שאור הלייזר מאיר חלק מלבני מפני החיישן ושאר השטח אינו מואר.

    *לאחר כמה ביליוני פולסים, המסכה מוסרת ואור הלייזר מאיר שוב את פני כל החיישן כמו ב-1.

    *התמונה הסופית מחולקת בתמונה ההתחלתית ולאחר נירמול, כל שינוי ברגישות באזור המלבני שהואר יתבלט לעומת שאר השטח שלא ספג  .DUV

    ציור 2: מערך הניסויים

    תוצאות:

    לאחר 2.1 ביליוני פולסים, לא הובחנה שום הידרדרות בביצועים של האזור שנחשף לאור .DUV דיוק המדידה נאמד ב 1% (ציור 3).

    ציור 3: אין שינוי באזור שנחשף ללייזר DUV

    סיכום:

    *פותח חיישן למצלמת DUV, "מדוקק", בעל תאורה מאחור עם פסיבציה.(Delta Doping) 

    *החיישן לא הראה שום הידרדרות בביצועים לאחר הקרנתו ב 2.1 ביליוני פולסים של אור לייזר DUV.

    *זמן החיים של החיישן תחת קרינת DUV כנ"ל הוערך ב 10 ביליון פולסי לייזר לפחות (ירידה ל-80% מן הרגישות ההתחלתית).

    *החיישן הדגים עמידות דומה גם לפולסי לייזר DUV ב-266nm המשמשים במכונות ל.Wafer Inspection-